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20200902--科普 | 科普男的第五講 ——“渦輪”

發(fā)表時間： 2020-09-03 瀏覽：8719

科普男：今天我們來繼續(xù)順著航空發(fā)動機的主流通道往下，進入到下一個部件——渦輪吧！

聽眾：這里就是航空發(fā)動機的熱端部件了吧？

科普男：是的。渦輪，緊隨燃燒室其后（圖1），是一種能將燃燒室流出的高溫、高壓燃氣的大部分能量轉(zhuǎn)化為扭矩輸出的機械裝置，在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生大的功率，由渦輪軸輸出。渦輪輸出的機械功可用來驅(qū)動風(fēng)扇、壓氣機、螺旋槳、槳扇、直升機的旋翼及其他附件。

圖1 航空發(fā)動機中的渦輪

聽眾：渦輪的結(jié)構(gòu)形式看起來和壓氣機很相像啊！

科普男：結(jié)構(gòu)上看，渦輪的基本結(jié)構(gòu)是由一個導(dǎo)向器和一個渦輪轉(zhuǎn)子組合成一個渦輪級。渦輪可由一個或幾個渦輪級組成，分別叫做單級渦輪或多級渦輪?？此平Y(jié)構(gòu)相同的渦輪與壓氣機實則大有不同：渦輪是導(dǎo)向器在轉(zhuǎn)子之前，且兩葉片間形成的通道呈收斂形（通道入口處面積比出口大），我們也稱出口最小截面為“喉道”（圖2）。燃氣氣流在收斂通道中流過時，速度提高、壓力降低。這里給大家一個定量上的概念，“喉道”部分的流速可達當(dāng)?shù)芈曀?，而在極高的燃氣溫度下其速到可達800m/s。也就是說，渦輪導(dǎo)向器出口氣流是在以高鐵的速度在跑。而且在臨界截面后氣流還將進一步加速，以超音速進入轉(zhuǎn)子葉輪。

圖2 渦輪導(dǎo)向器的“喉道”及其通過氣流

聽眾：還不如火車頭大的航空發(fā)動機內(nèi)部竟然有這么高的流速！

科普男：渦輪葉片還有一個特點就是沿葉高方向上是扭轉(zhuǎn)的，這是因為沿葉高方向上氣流切向速度大小會變化，導(dǎo)致相對速度大小和方向改變，因此渦輪葉片都是沿葉高方向上的基元級疊加而成（圖3）。

圖3 扭轉(zhuǎn)的渦輪葉片

科普男：值得一提的是，渦輪的工作環(huán)境可謂“炙焰煉獄”。渦輪工作葉片在被高溫燃氣包圍的同時還要受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時葉片自身的離心力、氣動力、熱應(yīng)力以及振動負荷,而且在熱燃氣作用下還易于腐蝕。高速（每分鐘幾萬轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)下葉片自身將承受一萬倍的離心力，相當(dāng)于給每個葉片上面吊上近十頭非洲森林大象（圖4）。另外,由于航空發(fā)動機的工況不斷變化,葉片還得經(jīng)受冷熱疲勞,所以它是發(fā)動機中工作條件最為惡劣的零件。

圖4 高速旋轉(zhuǎn)下葉片承受的超強離心力

聽眾：那么為什么不能降低燃燒室出口溫度給渦輪降降溫呢？

科普男：這是個好問題，實際上這么高的渦輪進口溫度也是航空發(fā)動機性能提升的需求下提出的必要條件之一。航空發(fā)動機的基本熱力循環(huán)是布雷頓循環(huán)（Brayton cycle），如圖5所示。空氣在壓氣機中等熵壓縮，在燃燒過程中等壓加熱，在渦輪與尾噴管中等熵膨脹，在機體外釋放熱量。而對于發(fā)動機中的真實循環(huán)來說，因為摩擦、氣動損失等不可逆過程的存在，氣體的壓縮和膨脹過程并不是等熵的，而是一個熵增過程。為實現(xiàn)高的整機工作效率，通常的方法是提高壓氣機的壓比（Pressure Ratio，PR）和提高渦輪進口溫度（Turbine Entry Temperature，TET）。也就是說，第一級渦輪的溫度對航空發(fā)動機性能的提升至關(guān)重要。

圖5 航空發(fā)動機中的布雷頓循環(huán)

聽眾：那么發(fā)動機中的TET到底有多高呢？

科普男：隨著科學(xué)技術(shù)的進步，近年來發(fā)動機設(shè)計中渦輪進口溫度與日俱增，羅羅的Trent系列更是直逼2000K，這已經(jīng)遠遠大于大多數(shù)的金屬合金的熔點，給渦輪設(shè)計和材料與工藝生產(chǎn)均帶來極大的挑戰(zhàn)。

圖6 近年來渦輪進口溫度演變趨勢

科普男：在如此高溫的環(huán)境中長時間工作，普通的鈦合金都會軟化變形。陶瓷雖耐高溫卻脆性太大，高溫合金方面鎳系合金材料的確能夠耐高溫，但其密度較大，會拉低發(fā)動機的推重比（發(fā)動機推力與自重之比）。因此在需要斤斤計較的航空發(fā)動機上就需要科研人員集中精力開發(fā)耐高溫的輕合金材料和加工工藝來滿足生產(chǎn)渦輪盤和渦輪葉片材料的需求。這種配方也都是各國航空發(fā)動機的核心機密。

聽眾：看來材料和工藝對發(fā)動機的研制也是至關(guān)重要的啊！

科普男：是的。即便經(jīng)過縝密的發(fā)動機設(shè)計，由于渦輪部件身處惡劣環(huán)境，仍然可能在工作狀態(tài)下發(fā)生故障，而且其故障往往引起嚴(yán)重的后果。CS100客機用的PW1500G低壓渦輪1級輪盤爆裂非包容故障就是由于龐巴迪的試車人員未遵守停車前必須在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于70%下至少運轉(zhuǎn)10min以冷卻發(fā)動機這個規(guī)定，多次在大轉(zhuǎn)速下直接停車，使滑油導(dǎo)管上的封嚴(yán)圈在高溫作用下失效，漏出的滑油在高溫下自燃，連續(xù)不斷的燃燒火焰，在輪盤上燒出一個整環(huán)的缺口，盤外緣在離心力作用下爆裂，其斷片擊穿機匣甩出發(fā)動機，打傷飛機多處結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖7 PW1500G渦輪盤爆裂非包容故障

科普男：遄達1000中壓渦輪工作葉片隔熱凃?qū)游吹皆O(shè)計壽命而過早地脫落，使葉片表面與高溫燃氣接觸，造成葉片硫腐蝕而斷裂，一口氣打傷1-5級靜子葉片與工作葉片，類似的事故屢屢造成787客機扒地停飛（圖8）。羅羅公司一名高級管理人員對媒體宣稱，2018年公司用于處理中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂故障的費用高達4億5千萬英鎊。

圖8 渦輪葉片斷裂787停飛造成巨額經(jīng)濟損失

聽眾：那還有什么設(shè)計辦法能給渦輪降降溫嗎？

科普男：為了讓渦輪葉片在“炙焰煉獄”中得以喘息，設(shè)計人員目前采取的主要手段是對其應(yīng)用冷卻技術(shù)和涂層保護：葉片內(nèi)部制成空心結(jié)構(gòu)并用高速流動的冷空氣帶走熱量；葉片外部還需要有保護膜，外加熱障涂層減低熱傳遞，降低到達葉片的熱量。

科普男：所以小小葉片結(jié)構(gòu)上蘊藏著大講究：為了實現(xiàn)有效冷卻，科研人員在葉片內(nèi)部發(fā)展出多種冷卻結(jié)構(gòu)形式，包括蛇形通道，擾流肋結(jié)構(gòu)，氣膜冷卻，沖擊冷卻，雙層壁結(jié)構(gòu)……（圖9）在狹窄的葉身里重重組合，可謂是“螺螄殼里做道場”！